柴油發(fā)動機汽缸套與活塞環(huán)磨損規(guī)律分析

[摘要]本文分析了柴油發(fā)動機汽缸套與活塞環(huán)在使用中磨損規(guī)律，指出了磨損對發(fā)動機的危害，分析了判斷磨損程度的方法，給出了減少磨損的建議，為廣大使用者提供一些有意義的借鑒。

[關鍵詞]汽缸套 活塞環(huán) 磨損分析

[中圖分類號]U467 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5489(2007)04-0110-03

在使用過程中，柴油發(fā)動機各摩擦表面的磨損會逐步加劇。發(fā)動機本體的磨損主要是指；汽缸套與活塞環(huán)、連桿軸承的磨損。這兩組摩擦付是決定發(fā)動機使用壽命的主要摩擦。本文主要分析了汽缸套與活塞環(huán)與活塞環(huán)的磨損規(guī)律，從而指導大家正確使用車輛。

一、汽缸套和活塞環(huán)的工作條件

(1)高溫。汽缸套和活塞環(huán)與高溫火焰頻繁接觸，工作溫度較高。一般，第一道活塞環(huán)的溫度可高達200－300％左右，汽缸套上部溫度也可達近200℃左右。在高溫條件下，零件表面的硬度和機械強度有所下降，機油變稀或燃燒掉，因而促使磨損加劇。

(2)高壓。缸內最高壓力可達8-10MPa，并具有沖擊性。這個壓力不僅作用于活塞頂上，使活塞產生變形。而且也直接作用在第一道活塞環(huán)上，將活塞環(huán)向環(huán)榴下側壓，也大大增加了活塞環(huán)對汽缸壁的壓力，并產生沖擊。因而很難建立可靠的潤滑油膜，使磨損加劇。

(3)高速及上、下死點速度為零。活塞在汽缸內的平均速度為十幾米每秒。高速運動是引起磨損的基本原因之一。尤其值得注意的是，活塞在上、下死點時，速度為零，并在一瞬間改變運動方向。活塞環(huán)由環(huán)槽的一側迅速靠向另一側，造成油膜破裂，使磨損加劇。

(4)潤滑困難。汽缸套和活塞環(huán)是依靠飛濺潤滑的。由于油環(huán)的刮油作用和氣環(huán)緊貼在汽缸壁上，因而只能依靠粘附在汽缸壁表面上極薄的油膜潤滑，潤滑條件很差。越在上面的環(huán)，潤滑條件越差。

(5)與磨粒接觸。磨粒主要由吸入的空氣和潤滑油帶入汽缸壁與活塞組之間，形成嚴重的磨粒磨損。前者主要影響汽缸的上部和第一道活塞環(huán)的磨損，后者主要影響汽缸套的下部及油環(huán)的磨損。

(6)和腐蝕環(huán)境接觸。汽缸活塞組頻繁地與腐蝕劑接觸，易遭受電化學磨損。這些腐蝕劑主要是燃燒產物所形成的酸性物質。

由上述基本分析可知，汽缸套和活塞環(huán)的工作條件是十分惡劣的，因而磨損嚴重。但是，由于活塞處于不同位置時，工作條件的惡劣程度又有所不同。因此汽缸套的各部位和活塞環(huán)的磨損程度也是不平衡的。下面具體分析汽缸套和活塞環(huán)的磨損規(guī)律及其形成原因。

二、汽缸套及活塞環(huán)的磨損規(guī)律

1 汽缸套的磨損范圍

汽缸套的磨損產生于活塞環(huán)的行程范圍內。由于活塞位于不同的位置時，工作條件不同，在活塞環(huán)的行程范圍內，汽缸套的磨損量有顯著的區(qū)別。活塞在上死后8°－12°(曲軸轉角)位置時，第一道活塞環(huán)于汽缸套的接觸部位磨損最嚴重。在一個使用期中，最大徑向磨損量可達0.2-0.3毫米。由此向下，磨損顯著減小。

發(fā)動機汽缸活塞組的磨損大小，主要取決于活塞環(huán)對缸壁的壓力，缸套與活塞環(huán)的變形和潤滑狀況等。

在活塞位于下死點時，第一、二、三、四渲活塞環(huán)與汽缸筒的接觸部位磨損也較大，但比上死點附近的磨損量小得多，只是最大磨損量的10-15％。

2 最大磨損部位在活塞位于上死點時第一環(huán)附近的原因

汽缸套最大磨損部位在活塞位于上死點時第一環(huán)附近的原因如下：

(1)活塞環(huán)對汽缸套的壓力最大。燃燒過程中，在上死點后，達到最高壓力P²=8-10MPa。燃氣壓力經活塞環(huán)與環(huán)槽之間的間隙，傳到活塞環(huán)內側。使第一道活塞環(huán)內側的壓力高達5-6MPa。壓力使活塞環(huán)壓向汽缸壁，總壓力達到2600-2900牛頓，而活塞環(huán)本身的彈力只有18-26牛頓。即汽缸爆發(fā)最高壓力時，使第一活塞環(huán)對汽缸筒的壓力增大100倍以上。而且，這一壓力是瞬間加上的，具有很大的沖擊性。因此，將產生嚴重的粘著和疲勞磨損。

(2)潤滑條件惡劣。燃燒過程中，高溫火焰將汽缸筒表面的機油大部分燒掉；留下的油膜極薄，尤其在上死點附近，汽缸壁上基本存不住機油因此，活塞在上死點附近時，第一道活塞環(huán)與汽缸筒之間基本上處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，而使磨損加劇。

(3)活塞位于上死點或下死點時，速度為零，不能建立足夠的潤滑油膜。活塞環(huán)位于上、下死點的一瞬間，處于靜止狀態(tài)。汽缸套和活塞環(huán)之間的機油被擠出一部分，潤滑油膜變薄。而且活塞在迅速改變運動方向時，活塞環(huán)由環(huán)槽的一側靠向另一側，引起活塞環(huán)的振動，與汽缸套的接觸部位也會產生微小的變化，使?jié)櫥湍て屏眩p加劇。

(4)工作溫度高。溫度高，使機械強度下降，磨損加劇。

(5)受腐蝕程度嚴重。活塞位于上死點附近時，燃料燃燒生成sO₂(二氧化硫)、H2SO₃(亞硫酸)及水蒸汽等對汽缸套的腐蝕最嚴重，因而加劇了腐蝕磨損。

(6)機械雜質集中。進入汽缸中的塵土及不完拿燃燒產生的積炭，大部分集中在第一道活塞環(huán)及上死點附均汽缸套表面上，因而磨料磨損也最嚴重。

因此，汽缸套正常磨損的一般規(guī)律是：活塞上死點第一環(huán)險近磨損最大，汽缸中部磨損最小，活塞下死點附近又磨損較大。

實際發(fā)動機工作時，各個汽缸之間的磨損量是不均勻的。這是因為：汽缸套中心線與曲軸軸承中心線不重合的程度不一，以及缸蓋安裝時各固定螺栓予緊力不一致，造成缸套變形大小不一樣。此外，從汽缸的位置來看，各缸的冷卻程度及進入汽缸的塵土量也不一樣。所以凡是能導致爆發(fā)壓力增大，潤滑情況變壞和缸套變形的任何使用因素，必然會使汽缸套的磨損增加。

三、判斷汽缸活塞組的磨損

汽缸活塞組的磨損程度，可以通過汽缸壓力，曲軸箱廢氣壓力和機油消耗員定性反應出來。

(1)汽缸壓力：汽缸壓力是指壓縮終了時的壓力。由于汽缸活塞組磨損以后，漏氣量增加，所以，壓縮終了時的壓力就會降低。磨損越厲害，壓縮終了時的汽缸壓力就越低。因此可以通過測定壓縮終了時的汽缸壓力，來反映汽缸活塞組的磨損程度，請注意、汽缸壓縮終了時的壓力不僅與汽缸活塞組的磨損有并，還和曲軸的轉速有關。轉速高，漏氣小。壓力就大。所以在實際測定時，一定要考慮轉速對發(fā)動機汽缸壓力的影響。要把實際測定的壓力值換算成標準轉速下的壓力值。

(2)曲軸箱廢氣壓力發(fā)動機在工作過程中，總有一部分燃燒氣體要經過活塞與缸套之間的間隙竄入曲油箱內，所以在曲軸箱內就能形成一定的廢氣壓力，活塞與缸套磨損越大，竄入曲軸箱內的燃燒氣體就越多，因此、廢氣壓力就越高。在正常情況廠，曲軸箱內的廢氣壓力應低于大氣壓50毫米水柱，若廢氣壓力越過此數(shù)值，則說明汽缸活塞組磨損較重。汽缸壓力和曲軸箱壓力測得的結果，應互相比較，如果不一致，可能是下面兩種情況：當汽缸壓力低而廢氣壓力沒有增高或增高很小時，則說明是氣門或汽缸墊等處漏氣。當汽缸壓力較大而廢氣壓力很高時，則說明被測汽缸的活塞環(huán)與汽缸磨損較輕，其他缸磨損較嚴重。

(3)每小時消耗機油量。活塞環(huán)與汽缸壁磨損后，大量機油被活塞環(huán)泵入燃靶室燒掉，使機油消耗量增加，因此，我們也可以根據機油的消耗量來初步判斷汽缸活塞組的磨損程度。

通過上述三項指標的檢查測定，可定性分析判斷出汽缸活塞組的磨損情況。隨著科學技術的不斷發(fā)展，不解體檢測汽缸活塞組的磨損技術，已逐漸成熟。如：運用油樣分析技術，可檢測汽缸活塞組等摩擦副的磨損情況s運用柴油機工況檢測儀，可較方便地測發(fā)動機的功率、各缸相對功率，汽缸密封性等。所有這些，均可診斷汽缸活塞組的磨損程度。

四、汽缸套和活塞環(huán)磨損對發(fā)動機性能的影響

(1)起動困難。汽缸套和活塞即磨損后，對燃燒室的密封作用下降，壓縮過程漏氣增多，壓縮壓力下降。當壓縮壓力小于一定值時，發(fā)動機就難以起動。

(2)功率下降、有效比油耗增大。汽缸套和活塞環(huán)嚴重磨損后，由于壓縮行程漏氣多，導致柴油燃燒不及時、不完全，后燃增加；膨脹行程中漏氣增多，作功能力下降。因此使用后期的發(fā)動機排黑煙嚴重，功率下氏有效比油耗增大。

(3)機油消耗量增大。由于活塞環(huán)與槽之間有間隙，便產生了活塞環(huán)的泵油作用。活塞環(huán)泵油的大小，主要取決于活塞環(huán)與環(huán)槽的間隙。據試驗：嚴重磨損的活塞環(huán)與環(huán)槽間的容積將增加3--4倍。使活塞環(huán)的泵油作用大大增強，機油消耗量顯著增多。同時，由于油環(huán)的嚴重磨損，彈力下降，以及汽缸套在圓周上磨損不均勻，使活塞環(huán)與汽缸壁的貼合不嚴密，導致刮油作用減弱，由活塞環(huán)與汽缸壁之間竄人燃燒室的機油增多，也是機油消耗增加的原因之一。

(4)可靠性降低，故障增多。汽缸、活塞環(huán)磨損后，活塞環(huán)與汽缸壁接觸不嚴，妨礙傳熱，易引起活塞過熱而產生拉缸等損壞；高溫氣體通過問隙處破壞油膜，使磨損加劇；粘附在汽缸活塞組表面的機油易氧化變質，可能導致活塞環(huán)粘著而造成汽缸漏氣。總之，汽缸活塞組嚴重磨損后，發(fā)動機的可靠性降低，故障增多，因此，應及時送修，不能盲目延長使用。

五、減少發(fā)動機本體磨損的措施

發(fā)動機主要摩擦付活塞環(huán)和汽缸套容易磨損。若使用不當，嚴重的會造成發(fā)動機早期損壞，導致發(fā)動機不能使用。使用中采取合理的措施，是保證減少發(fā)動機磨損的關鍵。

(1)保證空氣濾清器具有良好的濾清效果。汽缸套和活塞環(huán)的磨損量，與進入汽缸內的空氣含塵量成正比。因此，在使用中要定期保質保量地清潔空氣濾清器，這對延長發(fā)動機使用壽命有明顯的作用。

另從發(fā)動機進氣系統(tǒng)管路連接密封不嚴，部分空氣不經濾清直接進入汽缸內，嚴重的將造成發(fā)動機早期磨損。

(2)保證機油濾清器具有良好的濾清效果，嚴防塵土進入潤滑系。進人發(fā)動機的機油的含塵量對發(fā)動機的磨損有很大影響。它不僅對曲軸連杠軸承的磨損有顯著影響。對汽缸套和活塞環(huán)的磨損也有很大影響。因而要求機油濾清器要有較高的濾清效果，還要防止塵土進入潤滑系中。試驗證明，同樣的塵土量加入曲軸箱，所引起汽缸套和活塞環(huán)的磨損量，比直接加入進氣歧管所引起的磨損量大10倍。這是因為從進氣歧管吸入的塵土，大部分隨廢氣排出，只有少量塵土粘附于缸壁上起磨料作用，而混在機油中的塵土，大部分被甩到缸壁、進入曲軸軸承，使磨料磨損大大加劇，由此可知，使用中嚴防塵土進入機油，防止塵土進入曲軸箱，對減少發(fā)動機的磨損是極為重要的。

(3)保持發(fā)動機正常的工作溫度。發(fā)動機工作溫度過低，機油粘度大，流動性差，泵油不及時，滿足不了各摩擦表面的潤滑，造成磨損增大。發(fā)動機工作溫度過高，機油過稀，油膜不易形成，磨損也會加劇。再者溫度過高，燃燒不完全，功率下降，積炭增多，磨損增加。長時間在高溫下工作，有時會因活塞過度膨脹而直接與汽缸壁摩擦。造成拉缸事故。

六、結論

汽缸套與活塞組是發(fā)動機本體機構的重要部件之一，也是發(fā)動機最主要的摩擦副之一。發(fā)動機的大修壽命主要取決于汽缸套與活塞組的磨損程度。因此，掌握汽缸套與活塞組的磨損規(guī)律，便可在使用過程中注意減少導致加劇磨損的原因，對車輛的正確使用有著很好的借鑒意義。

[參考文獻]

[1]王憲成：《裝甲車輛發(fā)動機汽缸套與活塞環(huán)磨損計算模型》，《裝甲兵工程學院學報》2008年6月。

[2]張家璽：《內燃機磨合與表面特性實驗研究》，《摩擦學學報》2001年1月。